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DE3046909A1 - LASER - Google Patents

LASER

Info

Publication number
DE3046909A1
DE3046909A1 DE19803046909 DE3046909A DE3046909A1 DE 3046909 A1 DE3046909 A1 DE 3046909A1 DE 19803046909 DE19803046909 DE 19803046909 DE 3046909 A DE3046909 A DE 3046909A DE 3046909 A1 DE3046909 A1 DE 3046909A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
electron beam
energy
wiggler
electrons
catalac
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19803046909
Other languages
German (de)
Inventor
Thomas James 87544 Los Alamos N.Mex. Boyd jun.
Charles Allen Brau
Donald Adolph Swenson
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
US Department of Energy
Original Assignee
US Department of Energy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by US Department of Energy filed Critical US Department of Energy
Publication of DE3046909A1 publication Critical patent/DE3046909A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/0903Free-electron laser

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)

Description

R 4454R 4454

Laserlaser

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laser, und zwar
insbesondere auf einen freien Elektronen-Laser.
The invention relates to a laser, namely
especially a free electron laser.

Seit der ersten Demonstration des Laser-Konzeptes besteht ein großes Interesse an der Entwicklung eines
Uochleistungs-Lasers, der kontinuierlich über einen
großen Frequenzbereich hinweg abgestimmt werden kann.
Auf diese Weise abstimmbare Hochleistungs-Laser könnten in großem Umfang bei industriellen chemischen Anwendungsfällen eingesetzt werden, um Energie für spezielle Reaktion zu liefern. Beispielsweise könnte ein solcher Laser als eine Quelle benutzt werden, um Abgase aus einer Verbrennung zu reinigen, und zwar durch selektive Zerlegung giftiger Substanzen; oder aber ein solcher Laser könnte
Since the first demonstration of the laser concept, there has been great interest in developing a
High-power laser that continuously runs over a
can be tuned across a wide frequency range.
High power lasers tunable in this way could be used extensively in industrial chemical applications to provide energy for specific reactions. For example, such a laser could be used as a source to clean exhaust gases from combustion by selectively breaking down toxic substances; or such a laser could

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zum Reinigen von Ausgangsmaterialien für chemische Verfahren verwendet werden, und zwar durch selektive Zerstörung von Verunreinigungen, wie beispielsweise von solchen Verunreinigungen, die bei Kohlevergasungsverfahren verwendete Katalysatoren beeinflussen.for cleaning raw materials for chemical processes can be used by selective destruction of contaminants such as those impurities that affect catalysts used in coal gasification processes.

Seit der Verfügbarkeit des Gasmolekular-Lasers sind hohe Leistungen erreichbar. Gasmolekular-Laser sind jedoch nicht in der Lage, kontinuierlich über mehr als einen sehr beschränkten Bereich von Frequenzen hinweg abgestimmt zu werden und erzeugen nur einen bestimmten Satz an Frequenzen, was vom gasförmigen Laser-Medium abhängt. Das Konzept der Extraktion kohärenter optischer Strahlung aus einem Strom relativistischer Elektronen, d.h. der "freie Elektronen-Laser" wurde zum ersten Mal von J.M.J. Madey, Stanford im Jahre 1971 beschrieben. J.M.J. Madey u.a. richteten später über die Laser-Wirkung aus stimulierter Bremsstrahlung beim Stanford Linear Accelerator, vergl. dazu Phys. Rev. Letts., 38, 892 (1977). Die Zusammenarbeit des Columbia University Laboratory und des Naval Research Laboratory ergab einen Laser, basierend auf der stimulierten Raman-Streuung durch freie Elektronen, wie dies in der folgenden Literaturstelle berichtet wurde: D.B. McDermott u.a., Phys. Rev. Letts., 41, 1368 (1978). Der Bericht dieser Ergebnisse über den "freien Elektronen-Laser"hat beträchtliches Interesse hervorgerufen, da es möglich ist, daß freie Elektronen-Laser in der Lage sind, außerordentlich hohe Leistungen bei niedrigen Kosten und kontinuierlich abstimmbarer Frequenz zu liefern.Since the gas molecular laser became available, high outputs have been achieved. Gas molecular lasers are however unable to continuously tune over more than a very limited range of frequencies and only generate a certain set of frequencies, which depends on the gaseous laser medium. The concept the extraction of coherent optical radiation from a stream of relativistic electrons, i.e. the "free Electron Laser "was first introduced by J.M.J. Madey, Stanford in 1971. J.M.J. Madey et al later about the laser effect from stimulated bremsstrahlung with the Stanford Linear Accelerator, cf. in addition Phys. Rev. Letts., 38, 892 (1977). The collaboration of Columbia University Laboratory and Naval Research Laboratory revealed a laser based on stimulated Raman scattering by free electrons, as shown in the following Reference has been reported: D.B. McDermott et al., Phys. Rev. Letts., 41, 1368 (1978). The report of this Results on the "free electron laser" have generated considerable interest as it is possible that free Electron lasers are capable of extraordinarily high outputs at low costs and are continuously tunable Supply frequency.

Zusätzlich zur kontinuierlich abstimmbaren Frequenz undIn addition to the continuously tunable frequency and

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den potentiell hohen Ausgangsleistungen des freien Elektronen-Lasers, hat dieser noch den zusätzlichen Vorteil, daß kein Laser-Medium wie beispielsweise ein Strömungsmittel, Gas oder ein Feststoff vorhanden ist, welches die Tendenz hat, die Leistung und die optische Auflösung zu begrenzen, und zwar durch lineare und nichtlineare optische Verformungseffekte im Laser-Medium.the potentially high output power of the free electron laser, this has the additional advantage that no laser medium such as a fluid, Gas or a solid is present, which tends to increase performance and optical resolution limit, through linear and non-linear optical deformation effects in the laser medium.

Auch werden Strömungssysteme sowie die Leistung zum Pumpen des gasförmigen molekularen Laser-Mediums der gasförmigen und flüssigen molekularen Laser vermieden.Also, flow systems as well as the power to pump the gaseous molecular laser medium of the gaseous and liquid molecular lasers avoided.

Weitere Anwendungsfälle für die eine hohe Leistung erzeugenden freien Elektronen-Laser sind militärische Anwendungsfälle auf Schiffen, die Verteidigung gegenüber Raketen, die U-Boot-Verbindung und Feststellung, die Leistungsübertragung zu Satelliten und möglicherweise sogar der Antrieb für Bewegungsmanöver im Weltraum. Zu den obenerwähnten industriellen Laser-Anwendungsfällen gehören auch die Folgenden: Laser-Isotoptrennung; Laser-Bearbeitung und möglicherweise Leistungsübertragung von solaren Raumstationen zur Erde.Other use cases for the high power generating free electron lasers are military applications on ships that defend against missiles, the submarine connection and detection, the power transfer to satellites and possibly even the propulsion for maneuvers in space. To the above Industrial laser use cases also include the following: laser isotope separation; Laser machining and possibly power transmission from solar space stations to earth.

Bislang wurden jedoch nur niedrige Wirkungsgrade bei den verschiedenen vorgeschlagenen freien Elektronen-Laser-Systemen demonstriert oder berichtet, d.h. bei Laser-Systemen, die für die Erzeugung von Wellenlängen kürzer als dem nahen Infrarot (IR) vorgeschlagen wurden. Das Gleichspannungsbeschleunigungs/Verzögerungs-Konzept erreicht hohe Wirkungsgrade bei längeren Wellenlängen (beispielsweise λ ίνΊΟ um); vergleiche dazu die folgendeSo far, however, the various proposed free electron laser systems have only had low efficiencies demonstrated or reported, i.e. in laser systems designed for the generation of shorter wavelengths as the near infrared (IR) have been proposed. The DC acceleration / deceleration concept achieved high efficiencies at longer wavelengths (for example λ ίνΊΟ µm); compare the following

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Literaturstelle/ L.R. Elias, Phys. Rev. Letts. 42, 977 (1979) .Reference / L.R. Elias, Phys. Rev. Letts. 42, 977 (1979).

Es ist demgemäß eine beträchtliche Eingangsenergie sowie beträchtliche Kapitalkosten erforderlich, um freie Elektronen-Laser bei kurzen Wellenlängen (beispielsweise $1 um) und hohen Ausgangsleistungen zu betreiben, was notwendigerweise die Verwendung des freien Elektronen-Lasers für verschiedene Anwendungsfälle beeinflußt, da viele dieser Anwendungsfälle kürzere Betriebswellenlängen benötigen.It is accordingly a considerable input power as well considerable capital cost required to run free electron lasers at short wavelengths (e.g. $ 1 µm) and to operate high output powers, which necessarily necessitates the use of the free electron laser for affects various applications as many of these applications require shorter operating wavelengths.

Die Erfindung hat sich daher zum Ziel gesetzt, einen verbesserten freien Elektronen-Laser vorzusehen, der insbesondere einen hohen Wirkungsgrad besitzt und im Betrieb zuverlässig ist.The invention has therefore set itself the goal of providing an improved free electron laser, in particular has a high degree of efficiency and is reliable in operation.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist einen freien Elektronen-Laser vorzusehen, der hohe Ausgangsleistungen bei hohen Wirkungsgraden und mit Wellenlängen kürzer als dem nahen IR erzeugen kann.Another object of the invention is to provide a free electron laser that has high outputs at high outputs Can generate efficiencies and with wavelengths shorter than the near IR.

Wei£er bezweckt die Erfindung ein verbessertes Elektronenstrahl-Leistungssystem für freie Elektronen-Laser vorzusehen. Another object of the invention is an improved electron beam power system to be provided for free electron lasers.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.Further advantages, goals and details emerge from the claims and from the description of exemplary embodiments based on the drawing.

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*~ 3046901 * ~ 3046901

Die Erfindung überwindet die Nachteile und Beschränkungen des Standes der Technik durch einen verbesserten freien Elektronen-Laser sowie ein verbessertes Elektronenstrahl-Leistungssystem für einen freien Elektronen-Laser,The invention overcomes the disadvantages and limitations of the prior art through an improved free Electron laser as well as an improved electron beam power system for a free electron laser,

Der erfindungsgemäße freie Elektronen-Laser weist Folgendes auf: Mittel zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, Wigglermittel zur Induzierung transversaler Oszillationen im Elektronen-Strahl, Mittel zur Leitung des Elektronenstrahls in einer geschlossenen Schleife, und Beschleunigungs/ Verzögerungs-Mittel (catalac) zur Beschleunigung des Elektronenstrahls in einem anfänglichen Durchgang durch die Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel und zur Verzögerung des Elektronenstrahls in einem zweiten Durchgang durch die Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel, um Energie aus dem Elektronenstrahl zu extrahieren und die Energie in Beschleunigungsfelder der Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel zu transformieren.The free electron laser according to the invention has the following: means for generating an electron beam, wiggler means for inducing transverse oscillations in the electron beam, means for guiding the electron beam in a closed loop, and acceleration / deceleration means (catalac) to accelerate the Electron beam in an initial pass through the acceleration / deceleration means and for deceleration of the electron beam in a second pass through the acceleration / deceleration means to extract energy to extract the electron beam and the energy in acceleration fields of the acceleration / deceleration means to transform.

Zudem ist erfindungsgemäß ein Elektronenstrahl-Leistungssystem für einen freien Elektronen-Laser vorgesehen, und zwar mit einem Wiggler zur Extraktion von Energie aus einem Strahl aus Elektronen mit einem vorbestimmten Energieniveau zur Erzeugung kohärenter Strahlung, wobei ferner folgende Mittel vorgesehen sind: Mittel zur Erzeugung des Strahls aus Elektronen, Mittel zur Leitung des Strahls aus Elektronen in einer geschlossenen Schleife, und Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel (catalac) zur Beschleunigung des Strahls aus Elektronen auf das vorbestimmte Energieniveau zur Anlage an den Wiggler und zur VerzögerungIn addition, an electron beam power system for a free electron laser is provided according to the invention, and with a wiggler to extract energy from a beam of electrons with a predetermined energy level for generating coherent radiation, the following means also being provided: means for generating the beam of electrons, means for directing the beam of electrons in a closed loop, and acceleration / deceleration means (catalac) to accelerate the beam of electrons to the predetermined one Energy level for the system on the wiggler and for the delay

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des Strahls aus Elektronen, der aus dem Wiggler austritt, um Energie aus dem Strahl von Elektronen zu extrahieren und die Energie in Beschleunigungsfelder der Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel zu transformieren.the beam of electrons emerging from the wiggler to extract energy from the beam of electrons and the energy in acceleration fields of the acceleration / deceleration means to transform.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß kohärente optische Strahlung mit Wellenlängen kürzer als dem nahen IR in einem freien Elektronen-Laser erzeugt werden kann, wobei diese Strahlung kontinuierlich über einen weiten Bereich von Frequenzen hinweg abgestimmt werden kann. Die Erfindung erzeugt eine hohe Ausgangsleistung mit wirtschaftlichen Kosten in einer Vorrichtung unter Verwendung der HP-Beschleunigungstechnologie, die gut entwickelt und zuverlässig im.Betrieb ist.The advantage of the present invention is that coherent optical radiation with shorter wavelengths than the near IR can be generated in a free electron laser, this radiation being continuous over can be tuned over a wide range of frequencies. The invention produces a high output power at an economical cost in a device using HP acceleration technology that is well developed and reliable in operation.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigt:In the following, exemplary embodiments are based on the drawing described; in the drawing shows:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm der Wechselwirkungsregion des freien Elektronen-Lasers;Fig. 1 is a schematic diagram of the interaction region of the free electron laser;

Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines Einzeldurchlauf- oder Einzelpaß freien Elektronen-Lasers;Figure 2 is a schematic diagram of a single pass or single pass free electron laser;

Fig. 3 ein schematisches Diagramm einer freienFig. 3 is a schematic diagram of a free

Elektronen-Laser-Vorrichtung mit Speicherring;Electron laser device with storage ring;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm einer freien Elektronen-Laser-Vorrichtung mit Gleichspannungswiedergewinnung; Figure 4 is a schematic diagram of a DC recovery free electron laser device;

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~y~ 3Q469Q9~ y ~ 3Q469Q9

Fig. 5 ein schematisches Diagramm, welches dasFig. 5 is a schematic diagram showing the

Konzept der Erfindung veranschaulicht,und zwar anhand einer Beschleunigungsbahn-HF-Beschleunigungs/Verzögerungs-Energiewiedergewinnungsvorrichtung (catalac);Concept of the invention illustrated, and using an acceleration trajectory RF acceleration / deceleration energy recovery device (catalac);

Fig. 6 ein schematisches Diagramm des Konzepts der Arbeitsweise des freien Elektronen-Lasers gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; Figure 6 is a conceptual diagram of the operation of the free electron laser according to the preferred embodiment of the invention;

Fig. 7 ein schematisches Diagramm von Komponenten des Catalac-freien Elektronen-Lasers gemäß Fig. 6;7 is a schematic diagram of components of the Catalac-free electron laser according to FIG Fig. 6;

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Elektronendichte, abhängig von der Elektronenenergie für aus einem beispielhaften Wiggler für die Erfindung austretenden Elektronen;8 shows a graph of the electron density as a function of the electron energy for electrons emerging from an exemplary wiggler for the invention;

Fig. 9 ein schematisches Diagramm eines Catalacfreien Elektronen-Lasers, unter Verwendung eines Hilfs-Catalac;Figure 9 is a schematic diagram of a Catalac-free electron laser in use an auxiliary catalac;

Fig. Io ein schematisches Diagramm eines Catalacfreien Elektronen-Lasers, unter Verwendung eines Injektor-Linacs gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;Fig. Io is a schematic diagram of a Catalac-free Electron laser, using an injector linac according to a preferred one Embodiment of the invention;

Fig. 11 ein schematisches Diagramm eines Catalacfreien Elektronen-Lasers, unter Verwendung eines nachgeschalteten Linacs;Figure 11 is a schematic diagram of a Catalac-free electron laser in use a downstream linac;

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-73 -A- -73 -A-

$046909$ 046909

Fig. 12 ein schematisches Diagramm eines Catalacfreien Elektronen-Lasers, unter Verwendung eines Catalacs und eines Hilfs-Catalacs, angeordnet in einer Linie mit dem Laser-Strahl; Figure 12 is a schematic diagram of a catalac free Electron laser, using a catalac and an auxiliary catalac, placed in line with the laser beam;

Fig. 13 ein schematisches Diagramm eines Catalacfreien Elektronen-Lasers, unter Verwendung eines Hilfs-Catalacs und einer versetzten Wiggler-Anordnung;Figure 13 is a schematic diagram of a Catalac-free electron laser in use an auxiliary Catalac and an offset wiggler arrangement;

Fig. 14 eine schematische Darstellung eines Catalacfreien Elektronen-Lasers, und zwar zur Veranschaulichung der Verwendung zahlreicher Stufen von Hilfs-Catalac zur Extraktion zahlreicher Niveaus der Elektronenstrahlenergie; 14 is a schematic representation of a Catalac-free electron laser, for illustrative purposes the use of numerous stages of auxiliary catalac for extraction numerous levels of electron beam energy;

Fig. 15 ein schematisches Diagramm eines Ring-Resonators; 15 is a schematic diagram of a ring resonator;

Fig.16 ein schematisches Diagramm einer Konfiguration unter Verwendung des Catalac-freien Elektronen-Lasers als einen Laser-Verstärker für einen Hauptoszillator-Laser.Fig. 16 is a schematic diagram of a configuration using the Catalac-free electron laser as a laser amplifier for a main oscillator laser.

Fig. 1 zeigt die freie Elektronen-Laser-Wechselwirkungsregion oder -zone, die erfindungsgemäss kohärente Strahlung erzeugt und verstärkt. Ein Wigglerfeld Io ist ein räumlich schwingendes (oszillierendes) statisches Magnetfeld, welches durch einen Wiggler, beschrieben in US-PS 3 822 41o angegeben· ist. Der Titel dieser US-Patentanmeldung lautet "Stimulated Emission of Radiation inFig. 1 shows the free electron-laser interaction region or zone, the coherent radiation according to the invention generated and amplified. A wiggler field Io is a spatially oscillating (oscillating) static magnetic field, which is indicated by a wiggler described in U.S. Patent 3,822,410. The title of this US patent application reads "Stimulated Emission of Radiation in

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Radiation in Periodically Deflected Electron Beams"; ausgegeben am 2. JuIi 1974 an Madey u.a. Das optische Laser-Feld 12 verläuft quer zur optischen Achse 14, wie in Fig.l gezeigt. Damit das optische Laser-Feld 12 mit dem Elektronenstrahl 16 in Wechselwirkung kommt und infolgedessen am Elektronenstrahl 16 arbeitet, müssen die Elektronen des Elektronenstrahls 16 eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur optischen Achse haben. Das Wigglerfeld Io baut ein alternierendes periodisches Magnetfeld auf, um Wellungen im Elektronenstrahl 16 bei dessen Durchgang durch den Wiggler zu induzieren, wodurch eine Transversal-Geschwindigkeit in den Elektronenstrahl 16 induziert wird, was die Wechselwirkung des optischen Laser-Feldes 12 mit den Elektronen des Elektronenstrahls 16 gestattet. Infolge dieser Wechselwirkung werden einige der Elektronen des Elektronenstrahls 16 durch die Wechselwirkung des Elektronenstrahls 16 mit dem optischen Laser-Feld 12 beschleunigt, während andere verzögert werden, und zwar abhängig von der Anfangsphase der Elektronen im optischen Feld 12. Diese Beschleunigung und Verzögerung von Elektronen bewirkt, daß die Elektronen des Elektronenstrahls 16 Bündel oder Büschel bilden. Wenn die Bündel aus Elektronen im Wigglerfeld Io schwingen, so kommen die Bündel bezüglich des optischen Feldes derart in eine Phasenbeziehung, daß das optische Feld die Bündel verzögert und Energie extrahiert. Das InPhase-Kommen tritt dann auf, wenn die optische Wellenlänge, die Elektronenenergie und das Wigglerfeld sowie die Wigglerperiode in ordnungsgemässer Weise eingestellt sind. Die räumliche Periode des das Wigglerfeld Io erzeugenden Wigglers und die Energie der Elektronen des Elektronenstrahls 16 bestimmen die Frequenz der optischen kohärenten Strahlung, erzeugt durch den freien Elektronen-Laser. Die nominelle Beziehung zwischen der Wiggler-Wellen-Zahl (kw)Radiation in Periodically Deflected Electron Beams "; issued on July 2, 1974 to Madey et al. The optical laser field 12 runs transversely to the optical axis 14, as shown in FIG comes and consequently works on electron beam 16, the electrons of electron beam 16 must have a velocity component perpendicular to the optical axis. The wiggler field Io builds up an alternating periodic magnetic field in order to induce undulations in the electron beam 16 as it passes through the wiggler, whereby a transverse Velocity is induced in the electron beam 16, which allows the interaction of the laser optical field 12 with the electrons of the electron beam 16. As a result of this interaction, some of the electrons of the electron beam 16 are accelerated by the interaction of the electron beam 16 with the laser optical field 12, while others are delayed, un d depends on the initial phase of the electrons in the optical field 12. This acceleration and deceleration of electrons causes the electrons of the electron beam 16 to form bundles or tufts. When the bundles of electrons oscillate in the Wiggler field Io, the bundles come into a phase relationship with respect to the optical field in such a way that the optical field decelerates the bundles and extracts energy. In-phase occurs when the optical wavelength, the electron energy and the wiggler field as well as the wiggler period are set in the correct manner. The spatial period of the wiggler generating the wiggler field Io and the energy of the electrons of the electron beam 16 determine the frequency of the optical coherent radiation generated by the free electron laser. The nominal relationship between the Wiggler wave number (k w )

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und der optischen (Signal) Wellenzahl (k ) ist die Folgende:and the optical (signal) wavenumber (k) is the following:

kw = ks (1 + e2B2/m2c2)/2K 2 , k w = k s (1 + e 2 B 2 / m 2 c 2 ) / 2 K 2 ,

dabei ist c = die Lichtgeschwindigkeitwhere c = the speed of light

m = die Restmasse des Elektronsm = the remaining mass of the electron

e - die Elektronenladunge - the electron charge

B = das Magnetfeld des WigglersB = the magnetic field of the wiggler

ν = der relativistische Massenfaktor,ν = the relativistic mass factor,

wobei dieser Zustand Resonanzzustand genannt wird. Ein Elektronenstrahl, der sich durch einen Wiggler mit gleichförmiger Wellenzahl k und Magnetfeld B bewegt und derthis state is called the resonance state. An electron beam that moves through a wiggler with uniform Wave number k and magnetic field B moves and the

Resonanzbedingungen genügt, wird keinerlei Strahlung emittieren, wird aber mit der optischen Wellenlänge zur Bündelbildung gebracht. Wenn die Wiggler-Wellenzahl etwas niedriger ist als die Resonanzbedingung, so wird der Elektronenstrahl sowohl Bündel bilden als auch Strahlen, wodurch die Energie des Strahlungsfeldes erhöht wird. In der folgenden Literaturstelle ist ein Beispiel eines schraubenlinienförmigen Spulen-Wigglers zur Erzeugung des gewellten Wiggler-Magnetfeldes Io beschrieben: D.A.G. Deacon et al., "Phys. Rev. Letts., 38, 892 (1977). Zudem ist ein Satz von Leitringen, die eine Welle in einem solenoidalen Feld erzeugen, um das Wigglerfeld Io zu erzeugen, beschrieben in der folgenden Literaturstelle: D.B. McDermott et al., Phys. Rev. Letts., 41, 1368 (1978). Ferner ist eine geeignete Anordnung von Permanent-Magneten geeignet, um ein Wigglerfeld Io zu erzeugen.Sufficient resonance conditions will not emit any radiation, but will form bundles with the optical wavelength brought. If the wiggler wave number is slightly lower than the resonance condition, the electron beam will both form bundles and rays, whereby the energy of the radiation field is increased. In the following Reference is an example of a helical coil wiggler for generating the corrugated wiggler magnetic field Io described: D.A.G. Deacon et al., "Phys. Rev. Letts., 38, 892 (1977). In addition, a set of guide rings that generate a wave in a solenoidal field is to generate the wiggler field Io, described in the following reference: D.B. McDermott et al., Phys. Rev. Letts., 41, 1368 (1978). Furthermore, a suitable arrangement of permanent magnets is suitable to create a wiggler field Generate Io.

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Fig. 2 zeigt schematisch eine einzeldurchgangsfreie Elektronen-Laser-Vorrichtung, in der ein Elektronenstrahl 18 in einem Linac 2o oder einer anderen Beschleunigungsvorrichtung beschleunigt wird und an einen Wiggler angelegt wird, wo ein Bruchteil der Elektronenstrahlenergie als Laser-Energie extrahiert wird. Da der Extraktionswirkungsgrad der Laser-Energie durch den Wiggler niedrig liegt, ist der Gesamtwirkungsgrad der Einzeldurchgangsvorrichtung gemäss Fig. 2 ein noch niedrigerer Wert. Da die Gesamt-Systemkosten von der Eingangsleistung abhängen, ist die Lösungsmöglichkeit gemäss Fig. 2 trotz ihrer Einfachheit kostspielig, um eine hohe Ausgangs-Laser-Leistung zu erreichen.Fig. 2 schematically shows a single passless electron laser device in which an electron beam 18 is accelerated in a Linac 2o or other acceleration device and applied to a wiggler is where a fraction of the electron beam energy is extracted as laser energy. Because the extraction efficiency If the laser energy through the wiggler is low, the overall efficiency of the single pass device is according to FIG. 2 an even lower value. Since the total system costs depend on the input power, the possible solution according to FIG. 2 is expensive, despite its simplicity, in order to achieve a high output laser power to reach.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Speicherring-Vorrichtung, die die Energie ausnutzt, die in dem aus dem Wiggler 26 austretenden Elektronenstrahl 22 verbleibende Energie ausnutzt, und zwar durch Wiederbeschleunigung des Elektronenstrahls 22 im Linac 24 durch eine Größe gleich der durch den Wiggler extrahierten Energie. Dies wird durch Wiedereinfügen des aus dem Wiggler 26 austretenden Elektronenstrahls 22 in den Eingang des Linac 24 zur Beschleunigung erreicht. Der Nachteil der in Fig. 3 gezeigten Speicherring-Vorrichtung besteht darin, daß die Momentverteilung des Elektronenstrahls durch den freien Elektronen-Laser-Wiggler verbreitert wird . D.h. einige Elektronen werden mehr als andere verzögert, was von deren Phase bezüglich des Laser-Feldes abhängt. Mit dieser Verbreiterung der Momentenverteilung muß dann durch Synchrotronstrahlung anderswo im Rezirkulationsring 28 gedämpft werden, bevor der Elektronenstrahl '22 wiederbeschleunigt werden kann und wieder im freien Elektronen-Laser-Wiggler verwendet werden kann. Die Kompliziertheit eines geeigneten Speicherrings würde einFIG. 3 schematically shows a storage ring device which utilizes the energy generated in the from the wiggler 26 exiting electron beam 22 utilizes remaining energy, namely by re-accelerating the electron beam 22 in the Linac 24 by a size equal to the energy extracted by the wiggler. This is done by reinserting of the electron beam 22 emerging from the wiggler 26 into the input of the Linac 24 for acceleration achieved. The disadvantage of the storage ring device shown in Fig. 3 is that the torque distribution of the Electron beam through the free electron laser wiggler is widened. This means that some electrons are delayed more than others, which is due to their phase in relation to the laser field depends. With this broadening of the moment distribution, synchrotron radiation must then be used elsewhere in the Recirculation ring 28 are attenuated before the electron beam '22 can be accelerated again and again in free electron laser wiggler can be used. The complexity of a suitable storage ring would be a problem

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umfangreiches Kapitalinvestment erforderlich machen und in jedem Falle würden die Synchrotronverluste für die Strahlverschmälerung in signifikanter Weise die Gesamtwirkungsgradwerte verschlechtern, die schließlich erhalten werden können.require extensive capital investment and in any case the synchrotron losses for the beam narrowing significantly degrades the overall efficiency values that eventually can be obtained.

Die Fig. 4 zeigt eine Gleichspannungswiedergewinnungs-Vorrichtung, welche die Probleme der Verschlechterung der Elektronenstrahl-Qualität vermeidet, und zwar durch Verwendung eines elektrischen Gleichspannungsrückkopplungssystem, wie es in der obenerwähnten Literaturstelle von L.R. Elias beschrieben wurde. Die Energierückgewinnung wird durch einen Gleichspannungsbeschleuniger erreicht, und zwar unter Verwendung eines rück-vorgespannten Kollektors zur Verzögerung des Elektronenstrahls, nachdem dieser den Wiggler durchlaufen hat. Nur eine kleine Leistungsversorgung ist erforderlich, um den Strom zum ursprünglichen hohen Potential zurückzubringen. Die in Fig. 4 gezeigte Gleichspannungswiedergewinnungs-Vorrichtung ist jedoch auf eine niedrige Elektronenstrahlenergie und demgemäß auf längere Laser-Wellenlängen beispielsweise λ*,2.10 um beschränkt.Fig. 4 shows a DC voltage recovery device, which avoids the problems of electron beam quality degradation by Use of a DC electrical feedback system such as that disclosed in the above referenced US Pat L.R. Elias was described. The energy recovery is achieved by a DC voltage accelerator, using a back-biased collector to retard the electron beam after it has gone through the wiggler. Only a small power supply is required to keep the electricity at its original level bring back high potential. The DC voltage recovery apparatus shown in Fig. 4 is however, to a low electron beam energy and accordingly to longer laser wavelengths, for example λ *, 2.10 um restricted.

Fig. 5 veranschaulicht die HF-Beschleunigungs/Verzögerungs-Energiewiedergewinnungsvorrichtung gemäß der Erfindung. Die Hauptkomponenten zur Darstellung des erfindungsgemässen Konzepts sind die Folgenden: Ein Injektor 3$, ein Catalac (katalytischer Linac) 4o und ein Wiggler 46. Strahlentransportmechanismen leiten den durch den Injektor 38 erzeugten Elektronenstrahl in einer geschlossenen Schleife durch den Catalac 4o. Der Catalac 4o wirkt als ein Katalysator sofern als er die Bedingungen im ElektronenstrahlFig. 5 illustrates the RF acceleration / deceleration energy recovery device according to the invention. The main components for the representation of the invention Conceptually are the following: an injector 3 $, a Catalac (catalytic linac) 4o and a wiggler 46. Beam transport mechanisms direct the electron beam generated by the injector 38 in a closed loop through the Catalac 4o. The Catalac 4o acts as a catalyst insofar as it conditions the electron beam

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vorsieht, die für Laser-Wirkung in dem Catalac-freien Elektronen-Laser erforderlich sind, und zwar ohne selbst eine Nettostrahlenbelastung zu erleiden, wodurch sich der Name "Catalac" (katalytisches Linac) ergibt.provides for laser action in the Catalac-free Electron lasers are required without incurring any net radiation exposure themselves, thereby creating the name "Catalac" (catalytic linac) results.

Im Betrieb erzeugt der Injektor 38 einen Elektronenstrahl 41, der während eines Anfangsdurchgangs durch den Catalac 4o beschleunigt wird. Der Elektronenstrahl wird sodann durch den Wiggler 46 geleitet, der Laser-Energie extrahiert. Der aus dem Wiggler 46 austretende Elektronenstrahl 48 wird durch den Catalac 4o geleitet, und zwar außer Phase mit den Beschleunigungsfeldern des Catalac, so daß Energie aus dem Elektronenstrahl 48 extrahiert und in Energie der Beschleunigungsfelder des Catalac 4o transformiert wird, um den Elektronenstrahl 41 zu beschleunigen. Verzögerte Elektronen des Elektronenstrahls 48 werden sodann in Strahlabfallmittel 42 abgegeben. Es werden daher die Probleme der Elektronenstrahlenergieausbreitung, wie sie bei der Speicherring-Vorrichtung der Fig. 3 auftreten, hier vermieden, da die Elektronen nicht wiederbenutzt werden, wie dies bei der Vorrichtung gemäß Fig. 3 geschah.In operation, the injector 38 generates an electron beam 41 which, during an initial pass through the Catalac 4o is accelerated. The electron beam is then passed through wiggler 46 which extracts laser energy. The electron beam 48 emerging from the wiggler 46 is passed through the Catalac 4o, out of phase with it the accelerating fields of the Catalac so that energy is extracted from the electron beam 48 and converted into energy of the accelerating fields of the Catalac 4o is transformed in order to accelerate the electron beam 41. Delayed electrons of the electron beam 48 are then emitted into beam waste means 42. Hence the problems the electron beam energy propagation, as it occurs in the storage ring device of FIG. 3, avoided here, since the electrons are not reused, as was the case with the device according to FIG. 3.

Fig. 6 zeigt mehr ins Einzelne gehend die Arbeitsweise der in Fig. 5 gezeigten HF-Beschleunigungs/Verzögerungs-Energiewiedergewinnungsvorrichtung, die als Catalac-freie Elektronen-Laser bezeichnet wird. Die Erfindung verwendet ein HF-Linac-System, in dem HF-Felder, wie beispielsweise Mikrowellenfelder, an Resonanzhohlräume angelegt werden, um den Elektronenstrahl zu beschleunigen. Die Technologie der HF-Linac-Systeme ist wohl entwickelt und derartige Systeme haben einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Zu-Fig. 6 shows in more detail the operation of the RF acceleration / deceleration energy recovery device shown in Fig. 5; which is known as a Catalac-free electron laser. The invention used an RF linac system in which RF fields, such as microwave fields, are applied to resonant cavities, to accelerate the electron beam. The technology of the HF linac systems is well developed and such Systems have a high degree of efficiency and a high

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verlässigkeit gezeigt. Für Zwecke der Darstellung wird unter Verwendung geeigneter Parameter ein freier Elektronen-Laser verwendet mit 10 MW Durchschnittsleistung und 1 lim-Wellenlänge.reliability shown. For purposes of illustration it will be using suitable parameters a free electron laser with an average power of 10 MW and 1 lim wavelength.

Wie in Fig. 6 gezeigt,. er zeugt ein Injektor 5o einen 2 MeV-Elektronenstrahl 52, der über konventionelle Mechanismen in den Catalac 54 eingegeben wird. Der Catalac 54 weist irgendeine Anzahl von konventionellen HF-betriebene Beschleunigungsvorrichtungen auf, wie dies beispielsweise in den folgenden Literaturstellen beschrieben ist: "Computer Design 9o5 MHz Proton Linac Cavities" von Harry C. Hoyt u.a., beschrieben in Rev. of Sei. Instrums, Band 37, No. 6, S. 755-762, Juni 1966, "Coupled Resonator Model for Standing Wave Accelerator Tanks" von D.E. Nagle u.a., Rev. of Sei. Instrums, Band 38, No. 11, S. 1538-1587 November 1967 und "Standing Wave High Energy Linear Accelerator Structures" von E.A. Knapp u.a., Rev. of Sei. Instrums, Band 38, No. 7, S. 979-991, Juli 1968. Oder aber das Catalac weist die Scheiben und Unterlegscheibenstruktur auf, wie es in folgenden Literaturstellen beschrieben ist:"High Energy Accelerator Structures for High Gradient Proton Linac Applications" von J.J. Manca u.a. in IEEE Transactions on Nuclear Science, Band NS 24, No. 3, Juni 1977 und "Experimental and Calculated RF Properties of the Disk and Washer Structure" von J,M. Potter u.a., IEEE Transactions on Nuclear Science, Band NS 26, No. 3, Juni 1979. Natürlich kann erfindungsgemäß irgendein geeigneter HF-Beschleuniger verwendet werden zur Beschleunigung von Mehrfachampere (Spitzenstrom) Elektronen-Strahlen, wie beispielsweise die Hohlraumstruktur gemäßAs shown in Fig. 6. he creates an injector 2 MeV electron beam 52, which via conventional mechanisms is entered into the Catalac 54. The Catalac 54 has any number of conventional RF powered Accelerators, as described, for example, in the following literature: "Computer Design 905 MHz Proton Linac Cavities" by Harry C. Hoyt et al., Described in Rev. of Sci. Instruments, Volume 37, No. 6, pp. 755-762, June 1966, "Coupled Resonator Model for Standing Wave Accelerator Tanks" by D.E. Nagle et al., Rev. of Sci. Instrums, Volume 38, No. 11, pp. 1538-1587 Nov. 1967 and "Standing Wave High Energy Linear Accelerator Structures "by E.A. Knapp et al., Rev. of Sci. Instrums, Volume 38, No. 7, pp. 979-991, July 1968. Or but the Catalac has the washer and washer structure as described in the following references is: "High Energy Accelerator Structures for High Gradient Proton Linac Applications" by J.J. Manca et al. in IEEE Transactions on Nuclear Science, Volume NS 24, No. June 3, 1977 and "Experimental and Calculated RF Properties of the Disk and Washer Structure "by J, M. Potter et al., IEEE Transactions on Nuclear Science, Volume NS 26, No. June 3, 1979. Of course, any suitable RF accelerator can be used for acceleration in accordance with the invention of multiple amperes (peak current) electron beams, such as the cavity structure according to

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'*" 3Q469Q9'* "3Q469Q9

der folgenden Literaturstelle:"Beam Test With S-Band Standing Wave Accelerators Using On-Axis Couplers" von S.O. Schriber u.a. in Proceedings of 1972 Proton Linear Accelerator Conference, Okt. lo-13, 1972.the following reference: "Beam Test With S-Band Standing Wave Accelerators Using On-Axis Couplers" by SO. Schriber et al. In Proceedings of 1972 Proton Linear Accelerator Conference, Oct. lo-13, 1972.

Der Injektor 5o weist irgendeinen geeigneten Injektor auf, der Multxamperestrome erzeugt, wie beispielsweise den Injektor verwendet im Stanford Linear Accelerator, wie er in der folgenden Literaturstelle beschrieben ist: "The Stanford Two-Mile Accelerator " von R.B. Neal, W.A. Benjamin Inc., New York, 1968, Kapitel 8, Injektor, S. 241-271. Weitere geeignete Injektoren zur Verwendung gemäß der Erfindung sind in der folgenden Literaturstelle beschrieben: "Performance of 14o MeV High Current Short Pulse Linac at ORNL" von N.C. Pering et al., in IEEE Transactions on Nuclear Science, Band NS 16, No. 3, Juni 1969 und "Subnanosecond High Intensity Beam Pulse" von G. Mavrogenes u.a. in IEEE Transactions on Nuclear Science, Band NS 2o, No. 3, Juni 1973.The injector 50 includes any suitable injector that generates multxamp currents, such as the injector used in the Stanford Linear Accelerator as described in the following reference: "The Stanford Two-Mile Accelerator "by R.B. Neal, W.A. Benjamin Inc., New York, 1968, Chapter 8, Injector, pp. 241-271. Further suitable injectors for use according to the invention are described in the following reference: "Performance of 14o MeV High Current Short Pulse Linac at ORNL" by N.C. Pering et al., In IEEE Transactions on Nuclear Science, Volume NS 16, No. 3, June 1969 and "Subnanosecond High Intensity Beam Pulse" by G. Mavrogenes et al. In IEEE Transactions on Nuclear Science, Volume NS 2o, No. June 3, 1973.

Der durch den Injektor 5o erzeugte - vergl. dazu wiederum Fig. 6 - Elektronenstrahl 52 (volle Kreise) wird in den Catalac 52 eingegeben mit einer Phase relativ zu den HF-Beschleunigungsfeldern, was die Beschleunigung des Elektronenstrahls 52 im Catalac 54 auf loo MeV zur Folge hat. Der das Catalac 54 verlassende Elektronenstrahl 52 wird sodann unter Verwendung üblicher Strahltransportsysteme durch Wiggler 56 geleitet, der mit einem optischen Resonator ausgerichtet ist, welcher Reflektoren 58 und 6o aufweist. Nach Energieextraktion aus dem Elektronenstrahl 52 in der in Fig. 1 offenbarten Weise wird der austretende Elektronen-The one generated by the injector 50 - cf. on this again Figure 6 - Electron beam 52 (full circles) is input to Catalac 52 with a phase relative to the RF acceleration fields, which is the acceleration of the electron beam 52 in the Catalac results in 54 on loo MeV. The electron beam 52 exiting Catalac 54 becomes then passed using conventional beam transport systems through wiggler 56, which is equipped with an optical resonator is aligned, which has reflectors 58 and 6o. After energy extraction from electron beam 52 in FIG in the manner disclosed in Fig. 1, the exiting electron

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strahl 62 (nichtgefüllte Kreise) geleitet und wieder in das Catalac 54 eingeleitet, so daß die Bündel grob gesagt 180° außer Phase mit den Mikrowellenbeschleunigungsfeldern im Catalac 54 sind. Dies bewirkt, daß die Elektronen des austretenden Elektronenstrahls 62 verzögert werden, um so Energie der Elektronen des Elektronenstrahls 62 zu den Beschleunigungsfeldern des Catalac 54 zu übertragen, wobei diese Energie zur Beschleunigung des Elektronenstrahls 52 verwendet wird. Die eine niedrige Energie aufweisenden verzögernden Elektronen 63, die aus dem Catalac austreten, werden durch Strahl 52 getrennt und bei 64 beseitigt, und zwar durch ein Elektronenspektrcuneter oder eine andere geeignete Vorrichtung zur Trennung der Niederenergieelektronen von den Hochenergieelektronen, wie dies beispielsweise in der folgenden Literaturstelle beschrieben ist: "Focussing of Charged Particles", herausgegeben von Albert Septier, Band 2, Abschnitt 4.2, Academic Press 1967, New York, USA.ray 62 (open circles) and fed back into the Catalac 54, so that the bundle roughly speaking 180 ° out of phase with the microwave acceleration fields in the Catalac 54. This causes the electrons of the exiting electron beam 62 are delayed in order to reduce the energy of the electrons of the electron beam 62 to the acceleration fields of the Catalac 54, this energy being used to accelerate the electron beam 52 is used. The low energy ones retarding electrons 63 exiting the Catalac are separated by beam 52 and at 64 eliminated by an electron spectrometer or other suitable device for separating the low-energy electrons from the high energy electrons, as described, for example, in the following literature reference is: "Focussing of Charged Particles", edited by Albert Septier, Volume 2, Section 4.2, Academic Press 1967, New York, USA.

Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht der verschiedenen Komponenten des Catalac-freien Elektronen-Lasers gemäss Fig. 6. Klystrone 68 erzeugen Mikrowellen HF-Energie zur Erzeugung der Beschleunigungs- und Verzögerungs-Felder des Catalac 54 in üblicher Weise, wie dies in der folgenden Literaturstelle beschrieben ist: "Klystrons and Microwave Triodes" von Donald W. Hamilton, Julian R. Knipp, J.B. Horner Kuper, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1948. Strahltransportmagnete 7o und 72 führen den Elektronenstrahl in dem geschlossenen Schleifemuster in Verbindung mit Biegemagneten 74 und 76.Figure 7 is a perspective view of the various Components of the Catalac-free electron laser according to FIG. 6. Klystrons 68 generate microwaves RF energy to generate the acceleration and deceleration fields of the Catalac 54 in a conventional manner, as shown in the following Reference is described: "Klystrons and Microwave Triodes" by Donald W. Hamilton, Julian R. Knipp, J.B. Horner Kuper, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1948. Beam transport magnets 7o and 72 guide the electron beam in the closed loop pattern in connection with bending magnets 74 and 76.

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der Elektronendichte,Fig. 8 is a graph of electron density;

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abhängig von der Elektronenenergie für aus einem typischen sich verjüngenden Wiggler austretenden Elektronen zur Verwendung gemäss der Erfindung. Gemäss dem Konzept des sich verjüngenden Wigglers werden Wigglerwellenzahl und Wigglerfeld in der Weise verändert, daß eine signifikante Anzahl von Elektronen in einer potentiellen Quelle oder Senke eingefangen wird und diese kohärent verzögert werden. Dies wird erreicht durch Verwendung eines Wigglers, der eine abnehmende räumliche Periode besitzt, wodurch der Abstand in jedem aufeinanderfolgenden Magnetfeld "abgestimmt" ist auf die Energie des aus dem vorhergehenden Magnetfeld austretenden Elektrons. Da jeder Satz von Magnetfeldlinien Energie aus den Elektronen extrahiert, werden aufeinanderfolgend kürzere räumliche Periode der Magnetfelder verwendet, um in kohärenter Weise die Elektronen in dem "verjüngten" Wiggler zu verzögern. Ein solcher verjüngter Wiggler ist in der Lage, 5% oder mehr der Energie des Strahls oder mehr zu extrahieren. Darüberhinaus ist die Verteilungsfunktion der aus dem Wiggler austretenden Elektronen kompatibel mit der Catalac-Verzögerungsvorrichtung, da unterscheidbare Energiespitzen erzeugt werden, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Anders ausgedrückt 1st die Austrittsstrahlverteilungsfunktion, dargestellt in Fig. 8, dominiert von -zwei Spitzen, welche zwei Gruppen repräsentieren, und zwar eine erste Spitze von Elektronen · (auf 1oo MeV Spitze) die durch den Wiggler relativ unbeeinflußt laufen "und eine zweite Gruppe von Elektronen (85 MeV Spitze), die "eingefangen11 waren und stark verzögert sind in dem bewegenden Kraftfeld, erzeugt durch den Laser und den verjüngten Wiggler, wie oben beschrieben.dependent on the electron energy for electrons emerging from a typical tapered wiggler for use in accordance with the invention. According to the concept of the tapered wiggler, the wiggler wavenumber and wiggler field are changed in such a way that a significant number of electrons are trapped in a potential source or sink and these are coherently decelerated. This is achieved by using a wiggler which has a decreasing spatial period, whereby the spacing in each successive magnetic field is "matched" to the energy of the electron emerging from the previous magnetic field. As each set of magnetic field lines extracts energy from the electrons, successively shorter spatial periods of the magnetic fields are used to coherently decelerate the electrons in the "tapered" wiggler. Such a tapered wiggler is capable of extracting 5% or more of the energy of the beam or more. In addition, the distribution function of the electrons emerging from the wiggler is compatible with the Catalac deceleration device, since distinguishable energy peaks are generated, as shown in FIG. In other words, the exit beam distribution function, shown in FIG. 8, is dominated by two peaks which represent two groups, namely a first peak of electrons (at a 100 MeV peak) which run relatively unaffected by the wiggler and a second group of electrons (85 MeV peak), the "captured and 11 were strongly delayed in the moving force field, generated by the laser and the tapered wiggler, as described above.

Fig. 9 zeigt eine Anordnung gemäss dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Extraktion einer maximalen9 shows an arrangement according to the preferred exemplary embodiment of the invention to extract a maximum

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-JA- ■■·■■■ "--'-YES- ■■ · ■■■ "- '

3QA69093QA6909

Energiegröße aus der Energieverteilungsfunktion gemäss Fig. 8. Der Injektor 78 erzeugt einen Niederenergiestrahl, beispielsweise 2 MeV, der in Catalac 8o injiziert wird, und zwar über Biegemagnet 82. Das Catalac 8o ist derart ausgelegt, daß es den durch den Injektor 78 erzeugten Elektronenstrahl um 83 MeV beschleunigt, um einen Ausgangsstrahl 83 mit 85 MeV zu erzeugen. Der 85 MeV-Strahl 83 läuft durch Elektronenspektrometer 84 und wird in ein supplementäres oder Hilfs-Catalac 86 eingegeben, welches den 85 MeV-Strahl 83 weiter auf einen 100 MeV-Strahl 89 beschleunigt. Der 1oo MeV-Strahl 89 läuft dann durch das Elektronenspektrometer 88 und wird über übliche Strahlentransportvorrichtungen (nicht gezeigt) zu dem Biegemagneten 9o geleitet, der den Elektronenstrahl 89 durch Wiggler leitet, der innerhalb der Wechselwirkungszone angeordnet ist. Ausgangsoptik 94 und Reflektor 96 speisen die kohärente Strahlung zurück durch die Wechselwirkungszone zum Zwecke der Verstärkung.Energy quantity from the energy distribution function according to Fig. 8. Injector 78 generates a low energy beam, for example 2 MeV injected into Catalac 8o via bending magnet 82. That is Catalac 8o designed such that it accelerates the electron beam generated by the injector 78 by 83 MeV, by one To generate output beam 83 with 85 MeV. The 85 MeV beam 83 passes through electron spectrometer 84 and is in a supplementary or auxiliary Catalac 86 entered, which the 85 MeV beam 83 is further accelerated to a 100 MeV beam 89. The 100 MeV ray 89 then passes through that Electron spectrometer 88 and is via conventional beam transport devices (not shown) passed to the bending magnet 9o, which wigglers the electron beam 89 conducts, which is arranged within the interaction zone. Output optics 94 and reflector 96 feed the coherent one Radiation back through the interaction zone for the purpose of amplification.

Der aus dem Wiggler 92 austretende Elektronenstrahl 99 besitzt eine Elektronenenergieverteilung, wie sie in Fig.8 gezeigt ist. Der Elektronenstrahl 99 wird durch den Biegemagneten 98 und die konventionellen Strahlentransportvorrichtungen (nicht gezeigt) zum Eingang von Catalac 8o geleitet. Der aus dem Wiggler 92 austretende Elektronenstrahl 99 mit der Elektronenenergieverteilung gemäss Fig. 8 wird in das Catalac 8o derart eingegeben, daß die Bündel annähernd 180° außer Phase mit den Beschleunigunqsfeldern des Catalac 8o sind. Das Catalac 8o extrahiert 83 MeV aus den 1oo MeV und 85 MeV Elektronenenergieverteilungsspitzen des Elektronenstrahls 99, um 17 MeV und 2 MeV-Spitzen im das Catalac 8o verlassenden Elektronenstrahl 81 zu erzeugen. Die aus dem Elektronenstrahl 99The electron beam 99 emerging from the wiggler 92 has an electron energy distribution as shown in FIG. 8 is shown. The electron beam 99 is driven by the bending magnet 98 and conventional beam transport devices (not shown) directed to the entrance of Catalac 8o. The electron beam emerging from the wiggler 92 99 with the electron energy distribution according to FIG. 8 is entered into the Catalac 8o in such a way that the The bundles are approximately 180 ° out of phase with the acceleration fields of the Catalac 8o. The Catalac 8o extracted 83 MeV from the 100 MeV and 85 MeV electron energy distribution peaks of the electron beam 99, around 17 MeV and To generate 2 MeV peaks in the electron beam 81 leaving the Catalac 8o. Those from the electron beam 99

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zt IV- ν"=.:"- zt IV- ν "= .:" -

extrahierte Energie wird direkt in Energie der Beschleunigungsfelder des Catalac 80 transformiert. Infolgedessen hat der kombinierte Elektronenstrahl 81 und 83, der aus dem Catalac 80 austritt, eine hohe Energiespitze bei 85 MeV aus dem beschleunigten 2 MeV-Strahl vom Injektor 78 und niedrige Energiespitzen bei 17 MeV und 2 MeV.extracted energy is converted directly into energy of the acceleration fields of the Catalac 80 transformed. As a result, the combined electron beam 81 and 83 made from exiting the Catalac 80, a high energy spike at 85 MeV from the accelerated 2 MeV beam from injector 78 and low energy peaks at 17 MeV and 2 MeV.

Das Elektronenspektrometer 84 trennt die 2 MeV-Spitze, die im Strahlenablaß I00 beseitigt wird. Der verbleibende Elektronenstrahl hat Spitzen bei 85 MeV und 17 MeV. Die 85 MeV Spitze wird auf loo MeV im Hilfs-Catalac 86, wie oben beschrieben, beschleunigt, wohingegen die 17 MeV-Spitze an der Hilfs-Catalac 86 derart angelegt wird, daß die Elektronenbündel grob gesagt 180° außer Phase mit den Beschleunigungsfeldern des Hilfs-Catalac 86 sind. Infolgedessen werden 15 MeV aus der 17 MeV-Spitze extrahiert, um einen 2 MeV-Spitzenstrahl zu erzeugen, der vom Elektronenspektrometer 88 abgetrennt und im Strahlbeaeitiger 1o2 beseitigt wird. Der verbleibende, aus dem Elektronenspektrometer 88 austretende Elektronenstrahl 89 besitzt eine einzige Spitze bei 100 MeV. Die aus der 17 MeV-Spitze in dem Hilfs-Catalac 86 extrahierte Energie wird direkt in Energie der Beschleunigungsfelder des Hilfs-Catalac 86 transformiert.The electron spectrometer 84 separates the 2 MeV peak, the is eliminated in the radiation discharge I00. The remaining one Electron beam peaks at 85 MeV and 17 MeV. The 85 MeV tip is on loo MeV in the auxiliary Catalac 86, like described above, while the 17 MeV peak is applied to the auxiliary Catalac 86 in such a way that the electron beams roughly 180 ° out of phase with the Acceleration fields of the auxiliary Catalac 86 are. As a result, 15 MeV will be extracted from the 17 MeV peak in order to to generate a 2 MeV peak beam, which is from the electron spectrometer 88 is separated and eliminated in the jet remover 1o2. The remaining one, from the electron spectrometer Electron beam 89 exiting 88 has a single peak at 100 MeV. The ones from the 17 MeV peak in the auxiliary Catalac Energy extracted 86 is transformed directly into energy of the acceleration fields of the auxiliary Catalac 86.

Die Anordnung gemäß Fig. 9 liefert daher eine Vorrichtung zur Extraktion von Energie aus zwei gesonderten Elektronen-Energieverteilungsspitzen des aus dem Wiggler 92 austretenden Elektronenstrahls 99. Die einzig wichtigen Verluste im System sind die 2 MeV-Strahlen, angelegt an die Strahlen-The arrangement according to FIG. 9 therefore provides a device for extracting energy from two separate electron energy distribution peaks of the electron beam 99 emerging from the wiggler 92. The only important losses in the System are the 2 MeV rays, applied to the radiation

beseitig"er I00 und 1o2 und die Verlustleistungen in deneliminated "he I00 and 1o2 and the power losses in the

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Beschleunigungsstrukturen. Zudem werden die Elektronen, die durch den Wiggler 92 gelaufen sind, nicht in der Weise wiederbenutzt, wie sie bei der Speicherringvorrichtung der Fig. 3 benutzt werden, sondern sie werden vielmehr im Catalac 8o und Hilfs-Catalac 86 verzögert und in den Strahlenbeseitigern 1oo und 1o2 beseitigt. Dies eliminiert viele Probleme der Energieverteilung im Elektronenstrahl, angelegt an den Wiggler 92.Acceleration structures. In addition, the electrons that have passed through the wiggler 92 will not be in the Rather, they are reused in a manner similar to that used in the storage ring device of Fig. 3 Delayed in the Catalac 8o and auxiliary Catalac 86 and eliminated in the radiation eliminators 1oo and 1o2. This eliminated many problems of energy distribution in the electron beam applied to the wiggler 92.

Typische Parameter für ein 10 MW CW-System, wie es beispielsweise in Fig. 9 gezeigt ist, werden wie folgt zusammengefaßt:Typical parameters for a 10 MW CW system such as this shown in Fig. 9 are summarized as follows:

Wellenlängewavelength 1 um1 um MikroimpulslängeMicro-pulse length 85 ps85 ps MikroimpulswiederholzeitMicro pulse repetition time 14 ns14 ns DurchschnittsleistungAverage performance 1o MW1o MW SpitzenleistungTop performance 1,5 GW1.5 GW SpitzenintensitätPeak intensity 5o GW/cm2 50 GW / cm 2 Gesättigte Verstärkung pro DurchgangSaturated gain per pass 1oo%100% Anfängliche mittlere ElektronenenergieInitial mean electron energy 1oo MeV100 MeV Schließlich erreichte mittlereFinally reached mean ElektronenenergieElectron energy 94 MeV94 MeV ExtraktionswirkungsgradExtraction efficiency 6%6% Schließlich eingefangene ElektronenFinally trapped electrons energieenergy 85 MeV85 MeV EinfangbruchteilCapture fraction 4o%4o% Maximal annehmbare EnergieverteilungMaximum acceptable energy distribution 0,89%0.89% beim Einfangenwhile capturing WigglerlängeWiggler length 16 m16 m WigglerperiodeWiggler period 4-2.9 cm4-2.9 cm Magnetische Induktion (rms)Magnetic Induction (rms) 2.7-3.7 kG2.7-3.7 kG

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ZSZS

Resonatorlänge
Spiegeldurchmesser Durchschnittliche an den Spiegeln einfallende Intensität Spitzenintensität, einfallend an den Spiegeln
Spiegelreflektivität Durchschnittliche thermische Belastung an den Spiegeln Beschleunigungsfrequenz Beschleunigung im Injektor-Catalac Beschleunigung (Verzögerung) im POLAC (Hilfs-Catalac) Gesamtbeschleunigung Durchschnittsstrom Spitzenstrom
Mikrobündellänge
Injektionssubharmonische Elektronenstrahldurchmesser Energieverteilung (Ausbreitung) Emittance
Resonator length
Mirror diameter Average intensity incident on the mirrors Peak intensity, incident on the mirrors
Mirror reflectivity Average thermal load on the mirrors Acceleration frequency Acceleration in the injector Catalac Acceleration (deceleration) in the POLAC (auxiliary Catalac) Total acceleration Average current Peak current
Micro bundle length
Injection Subharmonic Electron Beam Diameter Energy Distribution (Propagation) Emittance

Äquivalente Energieverteilung infolge EmittanceEquivalent energy distribution due to emittance

Effektive gesamte Energieverteilung Gesamtstrukturlänge (Catalac + POLAC) Gesaratstrukturverlustleistung (Kupferverluste)
Injektionsverlustleistung (Kupferverluste)
Effective total energy distribution Total structure length (Catalac + POLAC) Total structure power loss (copper losses)
Injection power loss (copper losses)

Elektronenenergie an der Beseitigungsvorrichtung Electron energy at the disposal device

Verluste in den Beseitigungsvorrichtungen Losses in the disposal devices

32o m 8 cm32o m 8 cm

2oo kW/cm2oo kW / cm

3o MW/cm 99%3o MW / cm 99%

2 kW/cm2 358 MHz 2 MeV2 kW / cm 2 358 MHz 2 MeV

15 MeV 1oo MeV 1.6A 25OA 85 ps (11.5°)15 MeV 1oo MeV 1.6A 25OA 85 ps (11.5 °)

1.4 mm o,5% 0,4 mm-mrad1.4 mm o.5% 0.4 mm-mrad

0,44% 0,67% 1oo m0.44% 0.67% 100 m

2.5 MW o,1 MW 2 MeV 3.2 MW2.5 MW o.1 MW 2 MeV 3.2 MW

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Strahlbelastung im POLAC (= Laser-Leistung) 1o MW HF-Zu-Laser-Wirkungsgrad 63% Klystron-Wirkungsgrad 65% Gleichspannungs-Zu-Laser-Wirkungsgrad 41%Beam load in the POLAC (= laser power) 1o MW HF-to-laser efficiency 63% Klystron efficiency 65% DC voltage-to-laser efficiency 41%

Fig. 1o zeigt eine Konstruktion, die vielleicht einfach im Aufbau ist, aber etwas weniger effektiv als das System der Fig. 9 ist. Fig. 1o zeigt einen Injektor 1o4, der an einen 2 MeV-Strahl erzeugt, der sodann an ein Injektor-Linac 1o6 angelegt wird, welches den Injektorstrahl auf 17 MeV beschleunigt. Der 17 MeV-Strahl wird an Catalac 1o8 angelegt, der den Strahl auf 1oo MeV beschleunigt. Der 1oo MeV-Strahl läuft durch das Elektronenspektrometer 11o und wird durch Biegemagnet 114 auf die Wechselwirkungszone geleitet, wo Wiggler 116 angeordnet ist. Der Wiggler 116 extrahiert Energie aus dem 1oo MeV-Elektronenstrahl und erzeugt eine Elektronenenergieverteilungsfunktion, wie sie in Fig. 8 gezeigt ist, nämlich mit Spitzen bei 1oo MeV und 85 MeV. Der austretende Elektronenstrahl wird sodann über Biegemagnet 118 zum Eingang von Catalac 1o8 geleitet. Der austretende Elektronenstrahl 12o wird an Catalac 1o8 derart angelegt, daß die Elektronen bei 180° außer Phase mit den Beschleunigungsfeldern im Catalac 1o8 bündeln. Das Catalac 1o8 extrahiert 83 MeV aus den 1oo MeV und 85 MeV-Spitzen, um einen Ausgangsstrahl mit Spitzen bei 2 MeV und 17 MeV zu erzeugen. Wiederum wird die aus dem austretenden Elektronenstrahl 12o extrahierte Energie direkt in Energie der Beschleunigungsfeider des Catalac 1o8 transformiert. Die 2 MeV und 17 MeV-Spitzen werden sodann aus dem Elektronenstrahl 122 über Elektronenspektrometer 11o extrahiert. Ein durch Ausgangsreflektor 128 und Gesamt-Fig. 1o shows a construction that may be simple is in construction but is somewhat less effective than the system of FIG. Fig. 1o shows an injector 1o4, the to a 2 MeV beam, which is then sent to an injector Linac 1o6 is applied, which accelerates the injector beam to 17 MeV. The 17 MeV beam is sent to Catalac 1o8 applied, which accelerates the beam to 100 MeV. The 100 MeV beam passes through the electron spectrometer 11o and is applied to the interaction zone by bending magnet 114 directed where wiggler 116 is located. The wiggler 116 extracts energy from the 100 MeV electron beam and produces an electron energy distribution function as shown in Fig. 8 with peaks at 100 MeV and 85 MeV. The exiting electron beam is then directed via bending magnet 118 to the entrance of Catalac 1o8. The exiting electron beam 12o is applied to Catalac 1o8 in such a way that the electrons are out of phase at 180 ° bundle with the acceleration fields in the Catalac 1o8. The Catalac 1o8 extracts 83 MeV from the 100 MeV and 85 MeV peaks to create an output beam with peaks at 2 MeV and 17 MeV. Again, the exiting electron beam 12o extracted energy directly in energy of the acceleration field of the Catalac 1o8 transformed. The 2 MeV and 17 MeV peaks are then extracted from electron beam 122 via electron spectrometers 11o extracted. A through exit reflector 128 and total

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reflektor 126 gebildete optische Resonator erzeugt eine optische Rückkopplung zur Verstärkung, um Laser-Ausgangsgröße 13o zu erzeugen. Der Gesamtwirkungsgrad dieser Vorrichtung beträgt, basierend auf Berechnungen und Figuren für die 1o MW-Vorrichtung der oben beschriebenen Art 21%. Eine Optimierung der Parameter würde einen höheren Wirkungsgrad erzeugen.The optical resonator formed by the reflector 126 generates an optical feedback for amplification to the laser output 13o to generate. The overall efficiency of this device is based on calculations and figures for the 10 MW device of the type described above, 21%. Optimizing the parameters would produce a higher degree of efficiency.

Fig. 11 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie Fig. 11 zeigt, legt ein Injektor 132 einen Elektronenstrahl 134 mit einem Energieniveau von 2 MeV an Catalac 136 an. Catalac 136 beschleunigt den Strahl 134 auf 1oo MeV, um Elektronenstrahl 14o mit 1oo MeV zu erzeugen. Der Biegemagnet 142 lenkt den Elektronenstrahl 14o durch Wiggler 144, der derart ausgelegt, daß bis zu 6 MeV aus dem Elektronenstrahl 14o extrahiert werden, um den Elektronenstrahl 146 zu erzeugen. Der Elektronenstrahl 146 wird an das nachgeschaltete Linac 148 (Post-Linac) angelegt, welches den Elektronenstrahl 146 um 6 MeV beschleunigt. Da der Elektronenstrahl 146 zwei Elektronendichtespitzen bei annähernd 94 MeV und 1oo MeV besitzt, hat der Elektronenstrahl 152 zwei Spitzen bei annähernd 1oo MeV und 1o6 MeV. Der Elektronenstrahl 152 wird sodann in Catalac 136 injiziert, und zwar grob gesprochen mit 180 außer Phase mit den Beschleunigungsfeldern, so daß 98 MeV extrahiert werden, um zwei Spitzen bei annähernd 2 MeV und 8 MeV zu erzeugen. Infolgedessen hat der das Catalac 136 verlassende Elektronenstrahl 138 Spitzen bei annähernd 2 MeV, 8 MeV und 1oo MeV. Ein (nicht gezeigtes) Elektronenspektrometer trennt die Niederenergieelektronen mit Energieverteilungsspitzen bei annähernd 2 MeV und 8 MeV von den 1oo MeV-Elektronen des Elektronenstrahls 14o und leitet11 shows an alternative embodiment of the invention. As shown in FIG. 11, an injector 132 sets a Electron beam 134 with an energy level of 2 MeV at Catalac 136. Catalac 136 accelerates beam 134 to 100 MeV to generate 14o electron beam with 100 MeV. The bending magnet 142 directs the electron beam 14o through Wiggler 144, which is designed such that up to 6 MeV extracted from the electron beam 14o to the Generate electron beam 146. The electron beam 146 is applied to the downstream Linac 148 (Post-Linac), which accelerates electron beam 146 by 6 MeV. Since the electron beam 146 has two electron density peaks at approximately 94 MeV and 100 MeV, electron beam 152 has two peaks at approximately 100 MeV and 1o6 MeV. The electron beam 152 is then injected into Catalac 136, roughly speaking at 180 out of phase with the accelerating fields so that 98 MeV are extracted, around two peaks at approximately 2 MeV and generate 8 MeV. As a result, the electron beam 138 exiting Catalac 136 has peaks at approximately 2 MeV, 8 MeV and 100 MeV. An electron spectrometer (not shown) separates the low energy electrons with energy distribution peaks at approximately 2 MeV and 8 MeV of the 100 MeV electrons of the electron beam 14o and conducts

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den Elektronenstrahl 154 in Strahlbeseitigungsvorrichtung 156.electron beam 154 in beam eliminator 156.

Fig. 12 zeigt eine alternative Anordnung von Elementen, wo der Wiggler 158, Hilfs-Catalac 16o und Catalac 162 in einer Linie mit der optischen Achse des optischen Resonators angeordnet sind, der Optik 164 und Optik 166 aufweist. Wiederum sind die gleichen Parameter wie bei der Vorrichtung gemäss Fig. 9 verwendeten auf die Vorrichtung gemäss Fig. 12 anwendbar. Der Vorteil der Vorrichtung gemäss Fig. 12 besteht darin, daß die Anordnung des Wigglers in Linie mit dem Catalac^und dem Hilfs-Catalac 16o die Notwendigkeit vermeidet, daß ein achromatisches und isochrones Strahlentransportsystem zwischen dem Wiggler 158 und Catalac 162 vorgesehen sein muß. Ein achromatisches und isochrones Strahlentransportsystem ist infolge der winkelmässigen Divergenz und der Energieverteilung, erzeugt im Elektronenstrahl, durch den Wiggler in der Vorrichtung in der Fig. 9 erforderlich. Durch die Vorrichtung gemäss Fig. 12 werden die Ingenieur-Probleme eines derartigen Strahlentransports vermieden, die auf die Divergenz zurückzuführen sind, welche sich durch ein derartiges System ergeben infolge der auf unterschiedlichen Energieniveaus sich befindenden Elektronen und wegen der winkelmässigen Divergenz, hervorgerufen bei diesen Elektronen durch den Wiggler 158. Der Nachteil der Anordnung gemäss Fig. 12 besteht jedoch darin, daß die Projektion des optischen Strahls 168 durch Catalac 162 und Hilfs-Catalac 16o erforderlich ist.Fig. 12 shows an alternative arrangement of elements, where the wiggler 158, auxiliary Catalac 16o and Catalac 162 are arranged in line with the optical axis of the optical resonator comprising optics 164 and optics 166. Again, the same parameters as in the device according to FIG. 9 are used on the device applicable according to FIG. 12. The advantage of the device according to FIG. 12 is that the arrangement of the Wigglers in line with the Catalac ^ and the auxiliary Catalac 16o avoids the need for an achromatic and an isochronous radiation transport system must be provided between the wiggler 158 and Catalac 162. An achromatic one and isochronous radiation transport system is created as a result of angular divergence and energy distribution in the electron beam, required by the wiggler in the device in FIG. By the device according to Fig. 12 avoids the engineering problems of such ray transport due to divergence which result from such a system as a result of the different energy levels located electrons and because of the angular divergence, caused in these electrons by the Wiggler 158. The disadvantage of the arrangement according to FIG. 12, however, is that the projection of the optical beam 168 by Catalac 162 and auxiliary Catalac 16o is required.

Fig. 131 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, wo die optische Achse 17o des optischen Resonators gegenüber Catalac 172 versetzt ist. Fig. 13 ähnelt Fig. 9 und kann derart ausgelegt sein, daß die gleichen Parameter wie beiFig. 131 shows an alternative embodiment where the optical axis 17o of the optical resonator is offset from Catalac 172. FIG. 13 is similar to FIG. 9 and can be designed in such a way that the same parameters as in

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Fig. 9 angewendet werden. Der Vorteil der Vorrichtung gemäß Fig. 13 besteht darin, daß Probleme der Strahlenführung nach dem Austritt dee Elektronenstrahls 178 aus dem Wiggler I80 infolge der winkelmässigen Divergenz und der Energieverteilung, eingeführt durch den Wiggler I80, vermindert werden, und zwar infolge der minimalen Änderung der Richtung des Elektronenstrahls 178.Fig. 9 can be applied. The advantage of the device according to FIG. 13 is that problems of beam guidance after the exit of the electron beam 178 from the wiggler I80 due to the angular divergence and the energy distribution, introduced by the Wiggler I80, due to the minimal change in direction of electron beam 178.

Fig. 14 zeigt einen Catalac-freien Elektronen-Laser gemäss der Erfindung, ähnlich der Vorrichtung gemäss Fig. 9 mit der Ausnahme, daß zusätzliche Stufen von Hilfs-Catalacs hinzugefügt sind, um weiter Energie zu extrahieren aus einer komplizierteren Energieverteilung, erzeugt durch Wiggler 182. Im Betrieb erzeugt der Injektor 184 einen Niederenergieelektronenstrahl,der in das Catalac 186 über Biegemagnet 19o geleitet wird. Der Elektronenstrahl wird sodann in Catalac 186 beschleunigt und in einer Reihe von Hilfs-Catalacs, wie z.B. Hilfs-Catalac 192, enthalten innerhalb einer Reihe von Stufen wie beispielsweise der ersten Stufe 194, einer zweiten Stufe 196 usw., um ein vorbestimmtes Energieniveau zur Erzeugung von Elektronenstrahl 198 zu erreichen. Der Elektronenstrahl 198 wird sodann an Wiggler 182 über Biegemagnet 2oo angelegt. Der austretende Elektronenstrahl14 shows a Catalac-free electron laser according to the invention, similar to the device according to FIG except that additional levels of auxiliary Catalacs are added to further extract energy from a more complex energy distribution generated by wigglers 182. In operation, injector 184 generates a low energy electron beam that into which Catalac 186 is fed via bending magnet 19o. The electron beam is then in Catalac 186 accelerates and is included in a number of auxiliary Catalacs, such as auxiliary Catalac 192, within a Series of stages such as the first stage 194, a second stage 196, etc. to a predetermined energy level to generate electron beam 198. The electron beam 198 is then transmitted to wiggler 182 Bending magnet 2oo applied. The exiting electron beam

202 wird an den Eingang von Catalac 186 über Biegemagnet202 is connected to the entrance of Catalac 186 via bending magnet

203 und ein (nicht gezeigtes) achromatisches isochrones Strahlentransportsystem angelegt. Catalac 186 und darauffolgende Hilfs-Catalacs enthalten innerhalb einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Stufen Extrahieren vorbestimmte Energiemengen aus den verschiedenen Energieniveaus der Elektronen des Elektronenstrahls 2o2. Eine Vielzahl von Elektronenspektrometern, wie beispielsweise Elektronenspektrometer 2o4 und 2o6 beseitigen die Niederenergieelektronen,203 and an achromatic isochronous (not shown) Radiation transport system created. Catalac 186 and subsequent auxiliary Catalacs contain within a multitude of successive stages extracting predetermined amounts of energy from the various energy levels of the Electrons of the electron beam 2o2. A variety of electron spectrometers, such as electron spectrometers 2o4 and 2o6 eliminate the low-energy electrons,

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nachdem hinreichend Energie aus diesen extrahiert wurde, so daß sie nicht durch die Hilfs-Catalacs weiterlaufen können. Wiederum wird wiedergewonnene Energie zur Beschleunigung des durch Injektor 184 erzeugten Elektronenstrahls verwendet.after enough energy has been extracted from these that they do not continue through the auxiliary Catalacs can. Again, recovered energy is used to accelerate the electron beam generated by injector 184 used.

Fig. 15 zeigt einen Ringresonator zur Verwendung mit verschiedenen Ausführungsbeispielen, offenbart in Fig. 5 bis 7 und 9 bis 14. Da die Verstärkung kohärenten Lichtes nur dann erreicht wird, wenn Photonen des Resonators in der gleichen Richtung wie der Elektronenstrahl laufen, ist es oftmals vorteilhaft, einen Ringresonator,der beispielsweise in Fig. 15 gezeigt ist, zu verwenden, wo Photonen 2o8 in einen geschlossenen Schleifenkreismuster geleitet sind, und zwar über Reflektoren 21o, 212, 214 und 216, so daß sie durch den Wiggler 218 nur in der Richtung des Elektronenstrahls 22o laufen. Der Elektronenstrahl 22o wird durch Biegemagnete 222 und 224 durch Wiggler 218 geleitet und dann durch Biegemagnete 226 und 228, um so im geschlossenen Schleifenmuster der obenbeschriebenen Art seinen Weg fortzusetzen. Der Ausgangsreflektor 216 erzeugt eine Laser-Ausgangsgröße 218, die längs der optischen Achse des Wigglers 218 geleitet wird. Natürlich kann der Ausgangsreflektor 216 irgendwo innerhalb des Ringresonators gemäss Fig. 15 angeordnet sein, um den Ausgangsstrahl in verschiedene Richtungen zu lenken.Fig. 15 shows a ring resonator for use with various embodiments disclosed in FIGS. 5 to 7 and 9 to 14. Since the amplification of coherent light is only achieved when photons of the resonator travel in the same direction as the electron beam it is often advantageous to use a ring resonator, for example shown in Fig. 15 to use where photons 2o8 are conducted in a closed loop pattern, through reflectors 21o, 212, 214 and 216, so that they pass through wiggler 218 in the direction of electron beam 22o only. The electron beam 22o is through Bending magnets 222 and 224 passed through wiggler 218 and then through bending magnets 226 and 228, so in the closed Loop pattern of the type described above to continue on its way. The output reflector 216 produces a laser output 218, which is guided along the optical axis of the wiggler 218. Of course, the exit reflector can 216 somewhere within the ring resonator according to FIG. 15 be arranged to direct the output beam in different directions.

Fig. 16 zeigt die Verwendung eines Eingangs-Laser-Strahls von einem Hauptoszillator in Verbindung mit dem Catalacfreien Elektronen-Laser gemäss der Erfindung zur Eliminierung der in den Fig. 6, 7 und 9 bis 15 gezeigten optischen Resonatoren, um so den Catalac-freien Elektronen-Laser-Oszillator gemäß den Fig. 6, 7 und 9 bis 15 in einen Catalac-Figure 16 shows the use of an input laser beam from a master oscillator in conjunction with the Catalac free Electron laser according to the invention for eliminating the optical resonators shown in FIGS. 6, 7 and 9 to 15, so as to convert the Catalac-free electron laser oscillator according to FIGS. 6, 7 and 9 to 15 into a Catalac

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freien Elektronen-Laser-Verstärker umzuwandeln. Im Betrieb wird der Elektronenstrahl 234 durch Wiggler 236 über Biegemagnete 238 und 24o geleitet. Der Hauptoszillator-Laser 242 erzeugt ein optisches Signal bei einer speziellen Frequenz, bei der der freie Elektronen-Laser-Verstärker abgestimmt ist. Nach Durchgang durch Wiggler 236 wird der Eingangs-Laser-Strahl 232 verstärkt, um einen verstärkten Ausgangsstrahl 244 zu erzeugen. Jedergewünschte Injektions-Laser 242 kann in dieser Weise verwendet werden, und zwar einschließlich freie Elektronen-Laser-Oszillatoren, HP-Laser, modeverriegelte Neodymium YAG-Laser usw. Die abstimmbare Natur des freien Elektronen-Lasers ergibt einen großen Bereich von Anwendungsfällen für den freien Elektronen-Laser-Verstärker, in Verbindung mit anderen Lasern einschließlich Hochleistungsgasmolekular-Lasern.convert free electron laser amplifier. Operational the electron beam 234 is guided by wiggler 236 via bending magnets 238 and 24o. The main oscillator laser 242 generates an optical signal at a specific frequency at which the free electron laser amplifier is tuned is. After passing through wiggler 236, the input laser beam 232 is amplified to form an amplified output beam 244 to generate. Any desired injection laser 242 can be used in this manner, including, but not limited to free electron laser oscillators, HP lasers, mode-locked neodymium YAG lasers, etc. The tunable ones The nature of the free electron laser gives a wide range of uses for the free electron laser amplifier, in conjunction with other lasers including high power gas molecular lasers.

Die Erfindung schafft daher einen freien Elektronen-Laser mit hohem Wirkungsgrad, der auf der entwickelten und zuverlässigen HF-Beschleunigungstechnologie basiert. Der erfindungsgemässe Catalac-freie Elektronen-Laser ist in der Lage, einen hohen Wirkungsgrad bei Wellenlängen kürzer als dem nahen IR zu liefern, und zwar unter Verwendung eines Elektronenstrahl-Leistungssystems, welches Elektronen beseitigt, nachdem Energie aus diesen Elektronen extrahiert wurde, um so Probleme wie beispielsweise die Strahlendivergenz, die Momentenverteilung usw. zu eliminieren, die bei Speicherringvorrichtungen auftreten und in ernsthafter Weise die Elektronenstrahlqualität und die Leistungsfähigkeit des freien Elektronen-Lasers verschlechtern. Der erfindungsgemässe freie Elektronen-Laser verwendet ein Linac, welches als ein Katalysator wirkt, um die Elektronenenergie von aus dem freien Elektronen-Laser austretenden Elektronen direkt in Beschleunigungsfeldenergie zu transformieren, umThe invention therefore provides a free electron laser with high efficiency, which is based on the developed and reliable HF acceleration technology based. The inventive Catalac-free electron laser is in the Able to deliver high efficiency at wavelengths shorter than the near IR using a Electron beam power system that eliminates electrons, after energy has been extracted from these electrons to solve problems such as beam divergence, to eliminate the torque distribution, etc. that occur in storage ring devices and in a serious manner the electron beam quality and the performance of the free electron laser. The free electron laser according to the invention uses a linac which acts as a catalyst to reduce the electron energy from electrons emerging from the free electron laser to transform directly into acceleration field energy in order to

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neue Elektronen zu beschleunigen, was sowohl einen hohen Wirkungsgrad als auch einen einfachen Betrieb ergibt.to accelerate new electrons, which gives both high efficiency and easy operation.

Die vorstehende Beschreibung soll nicht einschränkend verstanden werden. Abwandlungen sind möglich. Beispielsweise können die Biegemagnete und die Strahlentransport-Systeme der gezeigten Art eine einzige integrierte Einheit sein, um in isochroner und achromatischer Weise den Strahl gemäß bekannten Strahltransportprinzipien zu transportieren. Obwohl die Elemente zum Biegen und Transportieren des Strahls nur schematisch dargestellt sind,so ist doch klar, daß aie nach bekannten Prinzipien arbeiten.The above description is not intended to be construed in a restrictive manner. Modifications are possible. For example the bending magnets and the radiation transport systems of the type shown can be a single integrated unit, to transport the beam in an isochronous and achromatic manner according to known beam transport principles. Although the elements for bending and transporting the beam are shown only schematically, it is clear that aie work according to known principles.

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Claims (1)

AnsprücheExpectations (Ty Freier Elektronen-Laser zur Verstärkung kohärenter Strahlung/ gek e η η ζ ei σ h η e t durch Mittel zur Erzeugung eines Strahls von Elektronen, Mittel zur Beschleunigung des Strahls von Elektronen auf eine vorbestimmte relativistische Energie unter Verwendung von HF-Beschleunigungsfeldern,(Ty free electron laser for amplifying coherent radiation / gek e η η ζ ei σ h η e t by means for generating a beam of electrons, means for accelerating the beam of electrons a predetermined relativistic energy using RF acceleration fields, Wigglermittel zur Induzierung transversaler Schwingungen in dem Strahl aus Elektronen zur Verstärkung der kohärenten Strahlung,Wiggler means for inducing transverse oscillations in the beam of electrons to amplify the coherent ones Radiation, Mittel zur Leitung des Strahls aus Elektronen, der aus dem Wiggler austritt, in die Mittel zur Beschleunigung, wodurch die Elektronen des Strahls aus Elektronen,der aus dem Wiggler austritt, außer Phase sind mit den HF-Beschleunigungsfeldern, um so Energie aus den Elektronen in Energie der Beschleunigungsfelder zu transformieren, um so den Wirkungsgrad des Lasers zu erhöhen.Means for guiding the beam of electrons emerging from the wiggler into the means for acceleration, thereby making the electrons of the beam of electrons coming out the wiggler exits, out of phase with the RF acceleration fields, so energy from the electrons into energy to transform the acceleration fields, so as to increase the efficiency of the laser to increase. 2. Laser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen optischen Resonanzhohlraum, ausgerichtet mit den Wigglermitteln zur Rückkopplung der kohärenten optischen Strahlung, erzeugt und verstärkt in den Wigglermitteln.2. Laser according to claim 1, characterized by an optical resonance cavity aligned with the wiggler means for feedback of the coherent optical Radiation, generated and amplified in the wiggler means. 130036/0697130036/0697 3. Laser nach Anspruch 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch Mittel zur Trennung der Niederenergieelektronen von den Hochenergieelektronen.3. Laser according to claim 1 and / or 2, characterized by means for separating the low-energy electrons from the high energy electrons. 4. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonanzhohlraum einen Ringresonator aufweist.4. Laser according to one of the preceding claims, in particular according to claim 1, characterized in that that the optical resonance cavity comprises a ring resonator. 5. Freier Elektronen-Laser, gekennzeichnet durch5. Free electron laser, characterized by Mittel zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, Wigglermittel zur Induzierung transversaler Schwingungen in dem Elektronenstrahl,Means for generating an electron beam, wiggler means for inducing transverse vibrations in the electron beam, Mittel zur Leitung des Elektronenstrahls in einer geschlossenen Schleife,Means for guiding the electron beam in a closed loop, Catalac-Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel zur Beschleunigung des Elektronenstrahls während eines anfänglichen Durchgangs durch die Catalac-Beschleunigungs/Verzögerungsmittel und zur Verzögerung des Elektronenstrahls während eines zweiten Durchgangs durch die Catalac-Beschleunigungs/ Verzögerungs-Mittel zur Extraktion von Energie aus dem Elektronenstrahl und zur Transformation dieser Energie· —\ 11^- Beschleunigungsfelder der Catalac-Beschleunigungs/ Verzögerungsmittel.Catalac acceleration / deceleration means for accelerating the electron beam during an initial pass through the Catalac acceleration / deceleration means and for decelerating the electron beam during a second pass through the Catalac acceleration / deceleration means for extracting energy from the electron beam and for transformation of this energy · - \ 1 1 ^ - acceleration fields of the Catalac acceleration / deceleration means. 6. Laser nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch optische Resonanzhohlraummittel, ausgerichtet mit den Wigglermitteln zur Rückkopplung kohärenter optischer Strahlung, erzeugt und verstärkt in den Wigglermitteln.6. The laser of claim 5 characterized by resonant optical cavity means aligned with the wiggler means for the feedback of coherent optical radiation, generated and amplified in the wiggler means. 130036/0697130036/0697 ORiGlNAL INSPECTEDORiGlNAL INSPECTED 7. Laser nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine externe Quelle kohärenter
Strahlung, ausgerichtet mit den Wigglermitteln.
7. Laser according to one or more of the preceding
Claims, in particular according to claim 5, characterized by an external source more coherent
Radiation aligned with the wiggler means.
8. Laser nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5,gekennzeichnet durch Mittel zur Trennung der Niederenergieelektronen von den Hochenergieelektronen.
8. Laser according to one or more of the preceding
Claims, in particular according to Claim 5, characterized by means for separating the low-energy electrons from the high-energy electrons.
9.Laser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Resonanzhohlraum einen Ringresonator aufweist.9. Laser according to claim 6, characterized in that that the optical resonance cavity comprises a ring resonator. 1o. Freier Elektronen-Laser nach Anspruch 5 ferner
gekennzeichnet durch:
1o. The free electron laser of claim 5 further
marked by:
zusätzliche Catalac-Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel
zur weiteren Beschleunigung des Elektronenstrahls während des anfänglichen Durchgangs durch die Catalac-Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel und einem anfänglichen Durchgang durch die zusätzlichen Catalac-Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel und zur weiteren Extrahierung von Energie an mehr
als einem Energieniveau aus dem Elektronenstrahl während
des zweiten Durchgangs durch die Catalac-Beschleunigungs/ Verzögerungs-Mittel und einem zweiten Durchgang durch die zusätzlichen Catalac-Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel.
additional Catalac acceleration / deceleration means
to further accelerate the electron beam during the initial pass through the Catalac acceleration / deceleration means and an initial pass through the additional Catalac acceleration / deceleration means, and to further extract energy from more
as an energy level from the electron beam during
the second pass through the Catalac acceleration / deceleration means and a second pass through the additional Catalac acceleration / deceleration means.
11. Freies Elektronen-Laser-System mit einem Wiggler
zur Extraktion von Energie aus einem Strahl von Elektronen an einem vorbestimmten Energieniveau zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung, wobei ein Elektronenstrahl-Leistungs-
11. Free electron laser system with a wiggler
for extracting energy from a beam of electrons at a predetermined energy level to generate coherent optical radiation, whereby an electron beam power
130036/0697130036/0697 System für das freie Elektronen-Laser-System folgendes aufweist:System for the free electron laser system has the following: Mittel zur Erzeugung des Strahls der Elektronen, HP-Hohlrauiranittel zur Beschleunigung und Verzögerung des Strahls der Elektronen,Means for generating the beam of electrons, HP cavity means for accelerating and decelerating the Beam of electrons, Mittel zur Leitung des Elektronenstrahls durch die HF-Hohlraummittel zur Beschleunigung des Elektronenstrahls auf das vorbestimmte Energieniveau und zur Verzögerung des Elektronenstrahls nach Austritt aus dem Wiggler zur Extraktion von Energie aus dem Elektronenstrahl und zur Transformation dieser Energie in Beschleunigungsfeider der HF-Hohlraummittel, wodurch der Wirkungsgrad des Elektronenstrahl-Leistungs-Systems vergrößert wird.Means for directing the electron beam through the RF cavity means to accelerate the electron beam to the predetermined energy level and to delay the After exiting the wiggler, the electron beam is used to extract energy from the electron beam and to transform it this energy in accelerating fields of the RF cavity means, increasing the efficiency of the electron beam power system is enlarged. 12. Elektronenstrahl-Leistungs-System nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Mittel zur Trennung der Niederenergieelektronen von den Hochenergieelektronen und zur Eliminierung der Niederenergieelektronen aus den Leitmitteln.12. Electron beam power system according to claim 11, characterized by means for separation the low-energy electrons from the high-energy electrons and to eliminate the low-energy electrons from the Conduction means. 13. Elektronenstrahl-Leistungs-System nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch zusätzliche HF-Hohlraummittel zur Beschleunigung und Verzögerung des Elektronenstrahls zur weiteren Extraktion von Energie auf mehr als einem Niveau aus dem Elektronenstrahl, der aus dem Wiggler austritt.13. electron beam power system according to claim 11, characterized by additional RF cavity means to accelerate and decelerate the electron beam to further extract energy to more as a level from the electron beam exiting the wiggler. 14. Freies Elektronen-Laser-System mit einem Wiggler zur Extraktion von Energie aus einem Elektronenstrahl auf einem vorbestimmten Energieniveau zur Erzeugung kohärenter optischer Strahlung, wobei ein Elektronenstrahl-Leistungs-System14. Free electron laser system with a wiggler for Extraction of energy from an electron beam at a predetermined energy level to produce more coherent optical Radiation, being an electron beam power system 130026/0697130026/0697 304690$$ 304,690 für den freien Elektronen-Laser folgendes aufweist: Mittel zur Erzeugung des Elektronenstrahls, Mittel zur Leitung des Elektronenstrahls in einer geschlossenen Schleife,for the free electron laser has the following: means for generating the electron beam, Means for guiding the electron beam in a closed loop, Catalac-Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel zur Beschleunigung des Elektronenstrahls auf das vorbestimmte Energieniveau zur Anlage an den Wiggler und zur Verzögerung des Elektronenstrahls, austretend aus dem Wiggler zur Extraktion von Energie aus dem Elektronenstrahl und zur Transformation dieser Energie in Beschleunigungsfeider der Catalac-Beschleunigungs/ Verzögerungs-Mittel.Catalac acceleration / deceleration means for accelerating the electron beam to the predetermined energy level to contact the wiggler and to delay the electron beam, exiting the wiggler to extract energy from the electron beam and transform this energy in acceleration field of the Catalac acceleration / Delay Means. 15. Elektronenstrahl-Leistungs-System nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Mittel zur Trennung der Niederenergieelektronen von den Hochenergieelektronen und zur Eliminierung der Niederenergieelektronen aus den Leitmitteln. 15. Electron beam power system according to claim 13, characterized by means for separating the Low-energy electrons from the high-energy electrons and to eliminate the low-energy electrons from the conducting means. 16. Elektronenstrahl-Leistungs-System nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch zusätzliche Catalac-Beschleunigungs/Verzögerungs-Mittel zur weiteren Extraktion von Energie auf mehr als einem Energieniveau aus dem aus dem Wiggler austretenden Elektronenstrahl.16. Electron beam power system according to claim 14, characterized by additional Catalac acceleration / deceleration means to further extract energy at more than one energy level from the off the electron beam exiting the wiggler. 130036/0697130036/0697
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